基于ANSYS的水电机组结构特性分析

2021-08-30孙镝涵罗南华王丁一孙照宇

水电站机电技术 2021年8期

孙镝涵，罗南华，王丁一，孙照宇

（1.长春工程学院能源动力工程学院，吉林长春 130000；2.辽宁蒲石河抽水蓄能有限公司，辽宁丹东 118000；3.太平湾发电厂，辽宁丹东 118000）

0 引言

目前，我国水电事业发展稳健增长。2020年3月22日为止，我国在运抽水蓄能电站装机规模达到3 179万kW，预期到2025年，在运装机总规模将达到6 200万kW。抽水蓄能电站具有启动迅速，运行灵活的优点，可承担调峰填谷、调频、调相、事故备用等多种任务。但因为其机组运行工况复杂、启停频繁，比常规机组更易发生振动问题。剧烈振动能对机组的结构造成破坏，降低使用寿命，大大降低机组运行效率和机组出力[1]。同时还会影响各种仪器仪表的正常运行和使用，甚至危害操作人员的身体健康[2]。所以在设计及改造过程中必须分析机组结构特性，以便为机组的振动分析和提前预防提供有力的数据支撑。

下机架和顶盖是机组的重要部件，在伞式机组中下机架是整个机组的主要承重部件，下机架足够的刚强度是机组安全运行的关键。顶盖是水轮机的重要过流部件和承重部件，其特性会直接影响水轮机的稳定运行。本文通过SolidWorks软件对某抽水蓄能电站的下机架和顶盖进行建模，再利用ANSYS软件对其进行静力分析和模态分析，检验结构的刚强度，复核结构的固有频率，并与常见的激振频率相比较，为机组振动分析研究提供了重要的基础。

1 某电站基本参数

某抽水蓄能电站的水轮机和发电机主要参数如表1、表2所示。

表1 发电机主要参数

表2 水轮机主要参数

本文进行结构力学分析时考虑了下机架和顶盖实际的承重情况，所承重的部件重量见表3。

表3 相关部件重量

立筋是下机架中主要承重部件，材料为16MnR，其材料特性见表4。

表4 立筋材料特性

水轮机顶盖材料主要为16Mn，其材料特性见表5。

表5 顶盖材料特性

2 有限元建模

下机架和顶盖均为轴对称结构。下机架为承重机架，主要由径向支臂和中心体构成，支臂末端的基础板和支撑板分别于基础轴向和径向把合。顶盖主要由上面板、下面板、径向筋板构成，顶盖法兰于座环上环向把合，一起构成导水机构的一部分。下机架和顶盖的图纸如图1所示。

图1 下机架、顶盖图纸

本文采用的有限元建模方案是先使用SolidWorks软件进行几何模型的建立，再将模型导入ANSYS软件中，设置网格与边界条件完成有限元模型的建立。有限元建模可以用有限的、相互关联的单元模拟无限的复杂体，无论多么复杂的几何体都能用相应的单元简化，从而建模分析计算出结果。

2.1 几何模型建立

模型建立采用先对下机架和转轮部分建模，再运用镜像功能生成整体模型的方案。由于部件的厚度较宽、刚度较大，均采用solid实体单元进行建模。在建模过程中，忽略一些对仿真结果影响很小的结构，如螺栓孔、垫圈、薄板等。建模完成后，依照实际机组结构将部分分块的模型组合成多体零件，保证结构的完整性。下机架和顶盖的模型如图2所示。

图2 下机架、顶盖模型图

2.2 网格划分

在全局网格设置中将网格分辨率设为5，先进行整体网格划分，再对网格较稀疏部分采用局部网格进行加密。对于形状较为规整的部件采用扫掠网格画法，对形状不规整的部件进行分块处理，再采用多区网格画法。经过多次调整使网格的正交质量达到0.8以上，可以较为准确的模拟实际情况。网格节点和单元数见表6。

表6 节点和单元数

下机架和顶盖网格模型如图3所示。

图3 下机架、顶盖网格模型图

2.3 边界条件

2.3.1 静力分析边界条件

森林抚育即在造林后到郁闭期开展的多项林木抚育管理工作，致力于为幼木创造良好的生长环境，最大限度为之提供适宜的光照条件、温度条件、水分、养分等，提升幼木成活率。森林抚育管理工作具体包括土壤管理、林木管理、幼木保护等多项工作。

对下机架支臂的螺栓孔施加固定约束，对支臂与径向基础连接处施加仅压缩约束，以上约束模拟下机架与基础的连接状态。对顶盖底部螺栓孔施加固定约束，模拟顶盖和座环的把合状态。

在轴向，下机架主要承受制动器、下导轴承、推力轴承、机组转动部分的重力和水推力，对于机组转动部分的重力和水推力用推力轴承的推力负荷作为代替。顶盖主要承受控制环、活动导叶、水导轴承、主轴密封的重力和水压力。以上所受到的力均以力载荷的形式模拟实际情况。

在径向，下机架受到导轴承的作用力，顶盖受到水导轴承的作用力。以上所受到的力均以轴承载荷的形式模拟实际情况。

2.3.2 模态分析边界条件

模态分析与外界载荷无关，所以只保留静力分析中的固定约束和仅压缩约束，其余边界条件均抑制。

3 计算结果及分析

3.1 静力分析

静力分析可以检验在额定工况的多种载荷下下机架和顶盖的应力分布和结构变形情况，将分析结果与标准值做对比，判断结构的刚强度。二者的强度将直接决定结构是否发生破坏，从而影响机组的安全运行；而刚度会直接影响整个机组的振动以及主轴的摆度，进而影响机组的稳定运行[3]。对下机架和顶盖进行静力分析，得到等效应力分布和结构变形情况，如图4所示，应力大小和变形程度如图中左侧图例所示，红色代表应力最大处或变形最剧烈处，蓝色代表应力或变形最小处。

图4 应力分布、结构变形图

由图4可知：

（2）下机架的最大变形位于上圆板边部，具体数值为0.59 mm，设计标准要求承重机架最大变形不超过1 mm，所以下机架满足刚度设计要求。顶盖的最大变形位于底部圆环处，具体数值为0.44 mm。由经验公式可得出顶盖最大变形一般不超过0.2D/1 000=1.082 mm[4]，D为导叶分布直径。分析结果明显符合要求，顶盖满足刚度设计要求。

对比两个部件，下机架作为主要载重部件的数值明显大于顶盖，符合实际情况。

3.2 模态分析

模态分析是用来确定结构振动特性的一种方法，从而判断结构在常见激励下是否发生共振。对下机架和顶盖进行模态分析，得到前6阶的固有频率、振型和顶盖节径数。下机架的固有频率见表7，顶盖的固有频率和节径数见表8。

表7 下机架固有频率

表8 顶盖固有频率及节径数

下机架和顶盖的振型如图5、图6所示，其中红色为结构变形最剧烈的区域。

图5 下机架振型图

图6 顶盖振型图

下机架的固有频率应避开转频及其倍频，特别是推力瓦数和发电机磁极对数的倍频，即12倍和9倍频，其计算公式为：

式中：n额为机组额定转速。12倍频和9倍频分别为 66.6 Hz、49.95 Hz。

还应避开极频及其倍频，极频为50 Hz，其倍频选择为100 Hz和150 Hz。可见下机架的固有频率均避开多组激振频率，且避开范围大于10%，不会引起下机架共振。

顶盖的固有频率应避开转轮叶片个数与转频乘积，其计算公式为：

式中：n额为机组额定转速，Zr为转轮叶片个数。

还应避开动静干涉引起的激振频率，其计算公式为：

式中：n为导叶通过频率谐波阶次，m为叶片通过下谐波阶次，Zg为活动导叶个数，k为节径数。由表8可知前6阶出现的节径数，当节径数为1时，n=4，m=9，引起的激振频率为450 Hz；当节径数为2时，n=1，m=2，引起的激振频率为100 Hz。可以看出顶盖的固有频率均避开了两种激振频率，且避开范围大于10%，不会引发顶盖共振[5]。